CN109642936A

CN109642936A - 基于可见光通信的定位

Info

Publication number: CN109642936A
Application number: CN201780035464.8A
Authority: CN
Inventors: F-X·马尔梅
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2037-04-10
Also published as: US11294065B2; CN109642936B; EP3229037A1; US20190107628A1; EP3229037B1; WO2017174819A1

Abstract

一种使用可见光通信(VLC)的导航系统、相关联的发射机和接收机，所述导航系统包括多个VLC发射机(201至207)和一个或多个GNSS接收机(430)，每个VLC发射机被配置为发送包括具有时间信息的导航消息的定位信号，其中所述时间信息是从所述GNSS参考时间导出的所述导航消息的特定部分的传输时间。根据本发明的接收机(221)被配置为根据VLC伪距、GNSS伪距或其组合计算位置。相关联的方法用于在根据本发明的导航系统中发送定位信号，以及用于根据由所述导航系统发送的多个定位信号确定位置。

Description

基于可见光通信的定位

技术领域

本发明应用于定位系统领域。更具体地，本发明描述一种基于可见光通信(VLC)的定位系统。

背景技术

由于所涉及的应用种类繁多，因此定位技术(尤其是室内定位技术)受到越来越多的关注。这些应用包括在诸如商场、体育馆或停车场等公共场所中的基于位置的服务(LBS)，其中室内定位系统允许提供真正匹配用户需求的内容。在这些应用中还有机器控制，例如仓库中机器人的控制，路径查找应用，增强现实等等。为了相关，室内定位必须非常准确。

GNSS(全球导航卫星系统的首字母缩写)定位技术已经被使用和改进了许多年。两个全球导航卫星系统(GNSS)已经全面部署多年(美国全球定位系统(GPS)和俄罗斯GLONASS)，还有两个正在部署(中国北斗导航卫星系统和欧洲伽利略系统)。GNSS定位技术提供精确而可靠的定位(在一些配置中，优于1m)，但是优选地需要在其中接收机与许多卫星在视线内的环境中操作。当传播条件包括对环境的反射时，例如在城市环境中，GPS定位的质量恶化到数十米的量级。

此外，由于其载波波长，GPS定位信号在穿过诸如屋顶或墙壁的构造材料时显著地损失功率。由于这些原因，依靠GPS信号在室内环境中进行定位是不可能的，在室内环境中在接收机和卫星之间没有可见性并且传播环境富有反射。

在过去几年中已经开发了自组织室内解决方案，以便提供室内定位。这些技术主要依赖于使用机会信号(Wi-Fi、蓝牙^TM、蜂窝塔ID、数字TV)，可以与信号强度信息组合也可以不与信号强度信息组合，但提供的准确性较差。其他技术依赖于使用惯性传感器，惯性传感器非常适合室内服务，但需要精确校准，并给出与时间相关的结果。还开发了在多径环境中提供精确结果的特定技术，例如超宽带。它们显示出消耗射频(RF)频谱的缺点，并因此受到约束性监管措施的限制，并且对接收机射频链的设计表现出重要的限制。

可见光通信(VLC)是使用光而不是射频作为传输介质的无线传输技术。VLC通信是安全的，因为它们被限于自由空间传输，并且不会穿过诸如墙壁的天然屏障。它们也可以被自由使用而不受任何约束，这与频谱拥挤和过度调节的射频频带不同，并且不会干扰其他电子设备。VLC技术实施起来很便宜，要传输的信号直接用作调制由诸如发光二极管(LED)的标准灯(例如荧光灯、白炽灯)以人眼察觉不到的速度输送的光学信号的输入。当用作代替Wi-Fi的无线传输支持时，VLC传输通常被称为Li-Fi(光保真的首字母缩写)。

已经提出了基于可见光通信的室内定位技术，例如在美国专利申请US2014/0313520A1或US 2011/0153201 A1中，但是这些技术限于从位于室内环境中的不同位置的光源发送由接收机使其与指示对应灯的位置的地图相关联的唯一标识符。这种定位技术的准确性以某种方式受到限制。

美国专利US 8,994,814 B2提出了通过从多个源接收这样的标识符并使用摄影测量法计算接收设备的定位来改进这些技术。摄影测量法是一种用于确定在摄影图像中找到的对象的几何属性的技术。在该专利的上下文中，它指的是分析光源的相对位置以确定接收设备的位置。如果该方法改善了设备的定位，则其精度仍然有限并且其复杂性较高。特别地，它需要在存储器中存储包括建筑物的每个点中的所有源的相对位置的数据库。

还存在其他已知方法，如美国专利申请US 2013/0211715 A1中所述，其中可见光通信与GPS定位技术一起使用。该方法包括使用GPS信号确定位置，并且当该位置的误差测量值超过阈值时，根据该GPS位置和由可见光通信设备发送的第二位置来计算混合位置。该方法不适用于全室内定位服务，因为GPS信号可能完全丢失。

最后，还存在使用可见光通信和根据到至少三个VLC发射机的距离计算执行的三角测量技术的已知定位方法，基于接收到的功率水平估计所述距离计算。定位的质量对功率水平估计的质量特别敏感，并且需要使用多个光电检测器或复杂的多路复用方法。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种使用可见光通信发送类似GNSS的信号的方法和装置，以及一种用于从多个发射机接收这种信号并因此计算位置的方法和装置来提供对现有技术的改进。受到已知的GNSS技术启发，根据本发明的定位技术显示出高精度。它实施起来很经济，因为它不需要特定的硬件，并且可以部署在任何地方，因为可见光通信不会干扰电子设备，也不必适应限制频谱调节。这里描述的导航系统特别适用于室内环境，但可以在室内或室外环境中部署。另外，在本发明的一些实施例中，可以以无缝且连续的方式实现从根据本发明的VLC定位系统到GNSS定位系统的转换。

为此，本发明公开了一种使用可见光通信的导航系统。该导航系统包括一个或多个GNSS接收机，其被配置为根据GNSS定位信号计算GNSS参考时间，以及一个或多个VLC发射机，其被配置为发送包括具有时间信息(332)的导航消息的VLC定位信号，其中所述时间信息是从所述GNSS参考时间导出的所述导航消息的特定部分的传输时间。

有利地，在根据本发明的导航系统中，所述导航消息由伪随机序列调制，所述伪随机序列对于同一区域内的每个VLC发射机是不同的。

在一个实施例中，根据本发明的导航系统还包括链接到VLC发射机和一个或多个GNSS接收机的中央设备，所述中央设备被配置为计算所述定位信号并将所述定位信号发送到多个VLC发射机。

在另一实施例中，根据本发明的导航系统还包括链接到VLC发射机和一个或多个GNSS接收机的中央设备，所述中央设备被配置为计算所述时间信息并将所述时间信息发送到所述VLC发射机。

在根据本发明的导航系统的另一实施例中，每个VLC发射机连接到GNSS接收机。

有利地，根据本发明的导航系统包括具有时间信息的导航消息，所述导航消息的比特率高于500比特/秒。

有利地，在根据本发明的导航系统中，所述VLC发射机被配置为计算所述定位信号。

有利地，在根据本发明的导航系统中，所述定位信号还包括关于所述时间信息的准确度的信息。

有利地，在根据本发明的导航系统中，所述定位信号还包括关于所述VLC发射机的位置的信息。

有利地，在根据本发明的导航系统中，所述GNSS接收机还被配置为从所述GNSS定位信号取回GNSS导航消息，所述VLC定位信号的导航消息还包括在GNSS导航消息中包括的数据。

本发明的另一方面提供了一种接收机，其被配置为从VLC发射机接收VLC定位信号，并从GNSS发射机接收GNSS定位信号，每个定位信号包括时间信息，所述接收机被配置为使用所述时间信息根据所述VLC定位信号计算VLC伪距并根据GNSS定位信号计算GNSS伪距，并且根据所述VLC伪距和GNSS伪距中的一个或多个(也就是说，根据VLC伪距、GNSS伪距或其组合)确定位置。

有利地，所述接收机还包括多个跟踪环路，每个跟踪环路被配置为根据在接收到的定位信号之一与所述定位信号的本地副本之间的相关性来计算接收时间。所述接收机被配置为根据计算出的接收时间和所述时间信息计算伪距。

本发明的另一方面提供了一种用于在导航系统中发送定位信号的方法，所述导航系统包括多个VLC发射机。所述方法包括：

-确定相对于要在从根据所述一个或多个GNSS接收机获取的参考时间导出的定位信号内发送的导航信号的特定部分的发送时间的时间信息，

-计算包括所述时间信息的多个定位信号，以及

-使用所述VLC发射机发送所述定位信号。

有利地，计算定位信号包括：

-计算包括所述时间信息的导航消息，并且

-用伪随机序列调制所述导航消息，所述伪随机序列对于同一区域内的每个VLC发射机是不同的。

最后，本发明的另一方面提供了一种用于根据由VLC发射机发送的包括时间信息的一个或多个定位信号以及由GNSS发射机发送的包括时间信息的一个或多个定位信号确定位置的方法。所述方法包括：

-从所述VLC发射机和GNSS发射机中的一个或多个接收所述定位信号，

-对于接收到的信号的每一个，根据所述时间信息计算与相对应的VLC发射机和GNSS发射机的伪距，以及

-根据计算出的伪距确定位置。

附图说明

通过以下对多个示例性实施例及其附图的描述，本发明将被更好地理解，并且其各种特征和优点将从中得出，在附图中：

-图1描述了根据现有技术的GNSS通信系统；

-图2描述了本发明的第一实施例，其中VLC通信系统是独立的；

-图3a比较了(现有技术中已知的)GNSS定位信号和根据本发明的VLC定位信号；

-图3b描述了在根据本发明的VLC导航系统中发送的定位消息；

-图4a描述了本发明的第二实施例，其中VLC定位通信系统具有由GNSS接收机驱动的时钟；

-图4b描述了本发明的第三实施例，其中VLC定位通信系统链接到GNSS接收机；

-图4c描述了本发明的第四实施例，其中VLC定位通信系统包括多个单独的VLC发射机；

-图5a和5b分别描述了(从现有技术中已知的)GNSS接收机和根据本发明的VLC接收机的结构；

-图6a和6b分别描述了(从现有技术中已知的)GNSS接收机和根据本发明的VLC接收机的定位信号跟踪回路；

-图7表示根据本发明的用于发送VLC定位信号的方法的流程图；

-图8表示根据本发明的用于针对VLC定位信号计算位置的方法的流程图。

本说明书中公开的示例仅说明本发明的一些实施例。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的所述发明的范围。

具体实施方式

图1描述了根据现有技术的GNSS通信系统。GNSS系统可以是GPS、GLONASS、北斗、伽利略，或者可以使用来自这些星座之一的卫星的信号。

在图1中，多个卫星101、102、103和104正在发送包括关于传输时间的信息的GNSS定位信号，该传输时间由嵌入在每个卫星中的高精度时钟传递。

GNSS接收机105包括多个跟踪回路。每个跟踪回路将从卫星之一接收到的GNSS信号与信号的本地副本相关，从而允许它确定信号的接收时间。从导航消息中取回信号的发送时间。然后形成在发送时间和接收时间之间的时间差。该时间差被称为伪距，其与在卫星和接收机之间的传播时间相关。它被许多现象偏置，如Tx和Rx时钟漂移，由于卫星和接收机的相对运动引起的多普勒效应，穿越电离层和对流层的可变传播延迟等。

定位信号还包括关于卫星位置的信息。这些信息被称为星历和历书，星历传送有关卫星位置的精确信息，并且历书包含允许构建卫星的未来位置的粗略信息。

已知至少四个伪距及其相关联的卫星位置，众所周知如何构建位置、速度和时间(PVT)的精确估计。

计算PVT所需的接收机架构已经受益于多年的研究和开发以达到显著的成熟水平。如今，GNSS接收机可以在许多电子设备中找到，例如汽车、智能手机、无人机、IoT(物联网的首字母缩写词)设备、可穿戴电子设备等。意图处理已知干扰问题的技术砖(无论是软件还是硬件)，例如在某种程度上减轻损伤(干扰、多径反射...)或提高定位的速度和准确性(传感器融合算法、快照定位...)，是公知和有效的。

此外，GNSS接收机显示出良好的属性：实时和高速率性能，准确估计位置、速度和时间。由于GNSS信号的传输是单路传输，因此同时接收机的数量是无限的。

GNSS定位的缺点在于其对室内环境中的多径干扰和无线电波传播的稳健性。

GNSS定位的准确性取决于信号传输时间的准确性。实际上，所有GNSS卫星必须在同一时钟上同步，以便接收机可以使用各种信号来取回位置和时间。为此，GNSS卫星使用原子钟。

图2描述了本发明的第一实施例。在该实施例中，用作VLC发射机的多个灯泡201至207被布置在房间211中，并被配置为广播定位消息。

房间211可以是仓库、商店、购物中心、停车场、隧道或任何其他室内环境，其中至少一个VLC接收机221正在寻找定位信息。本发明也可以在建筑物外部实施，但是其性能在白天会受到光污染影响。

VLC发射机是标准灯泡，其用于发射定位信号和照亮房间。LED(发光二极管)发射机特别适用，因为它们与白炽灯或荧光灯相比产生高亮度和低能耗的照明。它们还具有较长的预期寿命和较低的成本。另外，它们的强度可以变化，并且它们可以在高频率处接通和断开，这允许它们执行数据调制并且作为用于无线通信的向量。

关于用于实施本发明的VLC发射机的发射光，没有实际的物理限制或管理限制：它可以是可见光，或不可见光，如红外线或紫外线。蓝光LED是最广泛使用的，因为它们是最便宜且最节能的LED，并且然后仅涂有磷以产生白光。也可以使用激光作为替代选项。如果VLC接收机被设计为接收所有相同的光学频率或者不同的光学频率，则VLC发射机可以全部使用这些频率。

VLC发射机的放置必须足够密集，从而房间的任何位置处的接收机都能够接收从多个(通常为四个)VLC灯泡发射的光。

VLC接收机221是包括光电二极管传感器的设备，所述光电二极管传感器用于接收VLC信号，并且被链接到计算逻辑，该计算逻辑用于根据所述信号计算位置。接收机可以是智能电话、专用设备、汽车、无人机、IoT设备、可穿戴电子设备或任何其他移动设备。光电二极管也可以是远程设备，例如位于汽车车身上、手表上、衣服上或眼镜上的传感器，并通过如电缆、Wi-Fi或Bluetooth^TM的通信链路被链接到计算逻辑。

VLC接收机的光电检测器被设计为以与VLC发射机相同的频率操作。

所有的VLC发射机都被链接到负责同步定位信号传输的中央设备231。可以经由有线连接(例如同轴电缆上的以太网链路、双绞线电缆、光纤或电力线通信(PLC))或无线连接来实现所述链接，条件是管理无线连接的传播延迟(使用例如参考广播时间同步(RBS)的方法)。中央设备可以是服务器、计算机、或包括时钟232的任何可编程设备(数字信号处理器、现场可编程门阵列、ASIC等)。不要求时钟在稳定性方面达到高性能水平，如在该实施例中，系统仅具有一个时钟。实际上，如果时钟移位，则所有接收机都将跟随时钟移位，而不会对定位的精度产生任何影响。

在本发明的该实施例中，中央设备生成定位信号，该定位信号包括具有从时钟的时间直接获得或导出的时间信息的消息，并将该信号发送到VLC发射机201至207中的每一个。定位信号以二进制序列的形式传输。然后，每个灯泡中的驱动器电路将接收到的信号切换到开/关状态。调制二进制序列的已知和常用方法实际上是使用开-关键控(OOK)调制，但是可以使用允许使用VLC发送二进制序列的任何其他调制。因此，定位信号的信息比特调制由VLC发射机发送的光信号。

在该实现中，灯泡不需要任何计算逻辑，因为它们的唯一功能是根据接收到的定位信号进行闪烁。灯泡可以在不采取任何特定预防措施的情况下进行更换，如果灯泡的异构模型在相同的光学频率上传输，则它们可以在同一区域内互操作。

试图确定其位置的VLC接收机221在其光电二极管上接收光信号，并在所述光信号内区分源自各种VLC发射机的信号。用于区分信号的方法将在本说明书中进一步详细描述。

如在经典GNSS接收机中那样，VLC接收机对定位消息进行解码，并测量与VLC接收机和每个VLC发射机之间的传播时间相关的伪距。根据该信息，可以与针对GNSS导航系统所做类似地恢复位置、速度和时间。

定位方法的准确性取决于定位信号的传输时间的准确性。为了提供尽可能好的精度，VLC发射机所发送的定位信号必须在同一参考时钟上同步。因此，VLC定位信号指的是唯一的时间参考，并且接收机可以通过三边测量或多点定位来计算其位置。这可以通过在中央设备的时钟上驱动每个VLC发射机的时钟，或者通过根据它们的距离调整从中央设备到VLC发射机的信息传输来实现。同步VLC发射机并不一定意味着它们在完全同一时间都发送相同的时间信息。这意味着通过每个VLC定位信号传播的时间信息是从相同且唯一的参考时钟导出的，以使它们一致。这是基于三边测量或多点定位执行定位的必备先决条件。

有利地，当中央设备和VLC发射机通过电缆(以太网电缆、光纤、电力线通信等)链接时，电缆的长度可以是等效的，或者至少应该校准它们的传输延迟。

替代地，考虑到例如电缆的实际长度，可以估计在中央设备和每个VLC发射机之间的传播时间。在另一实施例中，一个或多个参考VLC接收机222可以位于房间211中的已知位置，以便在本地网络的校准的初步阶段期间评估不同定位信号的表观时钟偏差的误差。参考接收机估计其自身的时钟偏差，并精确地知道其到每个VLC发射机的距离，因此在理论和测量出的伪距之间的任何不匹配都是该VLC发射机的表观时钟偏差。

然后，中央设备广播该延迟，以便接收机知道必须应用于接收到的时钟数据的校正。

在另一实现中，可以在中央设备的级别执行“时钟调控”机制，以确保每个灯泡的表观时钟偏差尽可能接近零且恒定。

为此，考虑到估计的传播时间，中央设备调整定位信号到VLC发射机的传输，以便灯泡的传输在精确的预期传输时间发生。

在本发明的另一实现中，每个VLC发射机包括计算逻辑，该计算逻辑能够被配置为基于由中央设备同时传递到所有灯泡的时间信息来生成发射的定位信号。在该实施例中，在每个VLC发射机的级别上要求用于处理定位信号的计算逻辑，这可能对于操作而言更昂贵。该计算逻辑可以是与存储器相关联或不相关联的任何类型的计算电路(处理器、现场可编程门阵列等)。

为了确保所发送的信号之间的同步，可以如上所述估计和补偿在VLC发射机和中央设备之间的传播时间。替代地，每个VLC发射机包括时钟，所述时钟彼此同步，以使用例如像NTP协议(网络时间协议的首字母缩写)的同步机制来共享公共时间参考。同步机制可以是分布在VLC发射机之间的机制，考虑主参考时钟的机制，或者从主参考时钟导出的机制。

图3a比较了(从现有技术中已知的)GNSS定位信号和根据本发明的VLC定位信号。

图3a的左侧部分是被称为GPS L1C/A301的GPS信号的粗略方案，其也被称为由GPS卫星广播的传统民用信号。

该信号由导航消息302构成，其包括关于发送消息的时间的信息。导航消息的比特率是50比特/秒。该消息由伪随机序列303以1.023M比特/秒调制。此外，信号由子载波304在1575.42MHz处调制。该信号由卫星在射频频谱305中发送。

在图3a的右侧部分上，根据本发明的VLC定位信号311由通过伪随机序列313调制的导航消息312构成。所得到的信号经由VLC发射机在光谱315中直接发送。

关于发送的VLC定位消息，导航消息312比特率以及伪随机序列313比特率和长度可以被选择为等于GPS L1C/A消息的那些，以便VLC接收机的架构与标准GPS接收机的架构完全相同(除了与RF频率的转换阶段有关的部分)。但是，可以考虑其他特定值来进行实现。

众所周知，当码片速率增加时，跟踪抖动较低。Li-fi II协议显示高于250M比特/秒的采样率。为了满足香农定理，并保持与GPS接收机的链接，可以选择Rc＝102.3M比特/秒的伪随机序列的码片速率，这是GPS码片速率的100倍。同样，为了显示相当于GPS L1C/A信号之一的“导航消息比特率”与“伪随机序列码片速率”的比率，导航消息比特率可以是大约5000比特/秒。这些值是可能的值，仅出于示例目的给出，许多其他功能布置可以由本领域普通的普通技术人员确定。

在一个实施例中，消息比特率为5000比特/秒而不是50比特/秒(伽利略的125比特/秒和伽利略E6商业服务的500比特/秒)可以减少接收机进行同步所花费的时间，从而提高服务质量。

在GPS L1C/A中，用于调制消息信号的伪随机序列是长度为1023码片的Gold码。在伽利略中，信号E1BC的长度为4092码片。虽然可以使用这些伪随机码长度，但是较长的序列将导致位置计算的稳健性增加，最短的序列导致减少首次安装接收机的时间。伪距离代码长度的大小导致整体性能、同步时间和搜索空间复杂性之间的折衷。例如，使用2048码片长的伪随机序列可以实现良好的折衷。

在当前示例中，考虑Gold码生成伪随机序列，以便使用与GPS接收机中相同的接收算法，但是由具有良好互相关性能的代码生成的任何其他伪随机序列都适合。

相同区域的VLC发射机使用不同的伪随机序列。这种CDMA技术(码分多址的首字母缩写)使接收机能够分离不同的源。在本发明的一个实施例中，中央设备将每个VLC发射机与用于生成伪随机码的特定标识符相关联。当中央设备负责生成定位信号时，它在将消息发送到VLC发射机之前用多个伪随机码调制唯一的导航消息。当VLC发射机负责生成定位信号时，中央设备向每个VLC发射机传送其标识符。

替代地，可以以FDMA(频分多址的首字母缩写)方式使用不同的传输频率(在VLC传输的情况下，是浅色)来传输定位信号。因此，可以使用相同的伪随机序列来调制所有VLC定位信号，考虑到传输频率(浅色)在接收机侧执行不同发射机之间的区分。

如在GPS中，使用特定的伪距序列或加密序列可以是简单有效的方法，以提高传输安全性，并且增加防止欺骗的保护。这种序列还可以用于限制对有限用户集的访问。

图3b描述了根据本发明在VLC导航系统中发送的定位消息。

该示例的导航消息的结构以某种方式接近传统GPS消息的结构，最大化该技术的共同特征，并因此最小化开发新设备的成本，但是特定导航消息的设计也是可能的。

在帧321、322、323中发送导航消息，每个帧被细分在子帧330、340、350、360和370中。

第一子帧330包括字段TLM 331(TLM是遥测的首字母缩写)，其包含用于在导航消息上同步接收机的已知序列。

第一子帧330还包括字段HOW 332(HOW是传递字的首字母缩写)，其包含精确的时间信息。在GPS导航消息中，HOW字段中包含的时间信息是下一子帧的第一比特将被发送的时间。该信息是接收机所要求的关键信息，连同定位信号的精确接收时间，以计算根据其确定位置的伪距测量。根据实现选择，它可以是获取时钟的时间，发送消息的时间，或发送导航消息的任何相关部分的时间，如在GPS系统的情况中一样。

第一子帧330还包括时钟校正数据字段333，其包含关于消息中包含的时间信息的准确性的信息。在GPS导航消息中，该信息填充有关于卫星时钟偏差和漂移的信息。在本发明中，不同的VLC发射机被链接到同一时钟，如前所述，该信息可以用中央设备和VLC发射机之间的传播时间的估计来填充。

后续子帧340、350、360和370也包括TLM和HOW字段。

另外，子帧340和350二者都包括星历数据字段343和353。在GPS导航消息中，这些字段包含关于卫星位置的信息。星历是逐部分传输的，在最佳情况条件下用当前设备取回全部星历需要大约20秒。在根据本发明的导航消息中，这些字段可能包含关于VLC发射机的绝对位置的信息。替代地，VLC发射机位置可以被存储在接收机设备内(例如，存储在存储器内的地图中)，以便不必发送星历数据，并且可以由其他数据进行抑制或替换。

可以使用全局坐标系记录VLC发射机的位置，例如ECEF坐标(地心地固的首字母缩写)，或使用本地坐标，即参考建筑物中的参考点。在这种情况下，如果从接收机知道该参考点的ECEF坐标，则在接收机处可以立即获得本地和ECEF坐标。

最后，子帧360和370二者都包括历书数据字段363和373，并且子帧360包括折射模型数据。在GPS导航消息中，这些字段包含星座中每个卫星的粗略轨道和状态信息，加上电离层模型和信息，以将GPS导出的时间与协调世界时(UTC)相关。定位信号的传播不受电离层延迟的影响，本发明的一个优点是不再需要电离层模型。此外，由于灯泡的位置是静止的，所以年历可以由任何相关信息代替。

因此，根据实现选择，根据本发明的导航消息的结构可以接近标准GPS导航消息的结构，其中星历数据可以被附加的时钟校正数据替换，并且其中历书可以被任何相关信息取代。否则，可以设计特定的导航消息，限于所需的最小信息，其是同步比特331、时间信息332和时钟校正数据333，以及在需要时通知VLC发射机的位置的星历数据。

考虑到根据本发明该实施例的导航消息的比特率高于当前GNSS导航消息中的比特率，取回计算位置的第一估计所需的所有导航数据的时间有利地减少，并且可以是在0.1秒内，其中导航消息比特率为5000比特/秒。

图4a描述了本发明的第二实施例，其中中央设备的时钟由GNSS接收机420引导，GNSS接收机与GNSS发射机(卫星、地面站、伪卫星)在视线内或被连接到与GNSS发射机在视线内的天线上。

与本发明的第一实施例相反，其中系统被链接到独立时钟上，该独立时钟关于已知时间参考的偏差是未知的，在该实施例中，使用GNSS接收机驱动系统时钟。用作VLC导航系统的时间参考的时钟是GNSS时钟。通过定位信号发送的时间信息是根据该GNSS时间参考计算的，即它们以GNSS时间参考表示。

因此，根据本发明在定位信号上同步的任何接收机的时钟偏差可以相对于GNSS导航系统时间已知，因为系统时钟被引导到GNSS系统时间。

结果，在根据本发明的VLC定位系统中同步的任何接收机具有在有限时间内切换到GNSS系统的能力，因为其位置和时间信息是已知的，条件是接收机具有关于GNSS卫星位置的一些粗略信息(例如，如在先前的GNSS采集期间获取的年历所给出的，具有多天寿命的年历)。实际上，由于接收机时间和位置在VLC定位系统和GNSS定位系统中以相同的参考确定，因此即使在接收GNSS信号之前，也可以将处理GNSS信号的跟踪回路预设为接近正确的位置。因此，可以显著减少获取GNSS信号的步骤，其中接收机试图确定接收到的GNSS信号的相位。这同样适用于从GNSS定位系统到VLC定位系统的转换。

该实施例保证快速的室内/室外转换，这甚至可以通过在VLC定位系统和GNSS定位系统之间的过渡区中插入VLC发射机来改善。当根据本发明的接收机从建筑物内部(在其中仅使用VLC发射机进行定位)移动到外面(在其中仅使用GNSS发射机进行定位)，它逐渐失去VLC定位信号的接收，并逐渐获得接收GNSS定位信号(以及相反地)。为了在室内和室外之间提供无缝转换，根据本发明的接收机包括一个或多个接收链以处理VLC信号，以便计算VLC伪距，以及一个或多个接收链以处理GNSS信号，以便计算GNSS伪距。使用GNSS伪距、VLC伪距或其组合来执行PVT计算。由于两个网络共享公共时间参考的事实，根据从异构定位系统取回的伪距直接计算位置并且不添加约束(例如待传输的附加数据和/或待估计的附加未知数)仅仅是可能的。GNSS和VLC系统二者都在公共时钟上同步，从每个系统获取的数据的合并可以进一步扩展到其他原始数据指示符，例如多普勒频移测量。在根据该实施例的系统中，可以使用用于室外定位的RF信号和用于室内定位的光学信号来覆盖接收机的定位，而不管传播环境如何。在室内和室外之间的转换以平滑无缝的方式进行。

图4b描述了本发明的第三实施例，其中VLC定位通信系统被链接到GNSS接收机。

在该实施例中，时钟和中央设备二者都被链接到GNSS接收机430。除了从GNSS时钟驱动系统时钟之外，如在第二实施例中所述，中央设备能够从GNSS接收机取回导航消息数据。

在该实施例中，VLC定位信号的导航消息至少包括由GNSS系统提供的星历和历书。

中央设备可以在其生成的定位消息中引入该信息。如果VLC发射机负责生成定位消息，则中央设备将该信息与时间信息一起发送。

在根据本发明的VLC定位系统中同步的任何接收机能够几乎瞬时切换到GNSS系统，因为其位置和时间信息在类似于GNSS系统所使用的参考中是已知的，并且GNSS卫星的位置和时钟信息是已知的。

该实施例有利地保证了无缝的室内/室外转换。

图4c描述了本发明的第四实施例，其中VLC定位通信系统包括多个独立的VLC发射机441至444，每个VLC发射机与GNSS卫星接收机451至454配对。

在该实施例中，VLC发射机可以独立操作，但共享由GNSS接收机递送的公共时间参考。此外，VLC发射机可以取回和广播在GNSS导航消息中收集到的信息。该实施例特别适用于户外操作，例如使用路灯在城市峡谷中提供定位信号，其中缺少晴空和衰减的信号是快速GNSS定位的问题。使用VLC定位信号(潜在地包括从GNSS系统取回的星历和历书信息)能够在切换到GNSS系统之前确保快速获取接收机和卫星的位置。

典型的操作情况是汽车驶出室内停车场或隧道。GNSS接收机无需等待数十秒来获取星历及其位置，在停车场外的前几米处部署VLC定位系统将有助于提供几乎即时的定位并帮助获取GNSS系统卫星。有利地，可以增加导航消息比特率，以便加速导航消息的传输。

该实施例要求VLC发射机包括用于计算定位信号的计算逻辑。

图5a和5b分别描述了(从现有技术中已知的)GNSS接收机的结构和根据本发明的VLC接收机的结构。

标准GNSS接收机510由接收射频GNSS定位信号的天线511组成。RF前端512负责对接收到的信号(其是所有GNSS定位信号的总和)进行滤波，将其变换为基带或中频，并将其转换为数字信号。RF前端由Rx时钟513驱动。数字信号由信号处理单元514处理，也由Rx时钟513驱动，并确定在接收机和处理的每个卫星之间的伪距。为了识别各种定位信号，信号处理单元将接收到的信号与使用不同伪随机码生成的本地副本相关。根据导航消息中包括的同步值和数据，导航处理单元515可以计算伪距和多普勒效应值，以取回PVT(位置、速度和时间)信息516。

确定位置和时间所需的伪距的最小数量是4，因为未知变量的数量是4：x、y、z和t。根据卫星速度和观察到的多普勒频移以类似的方式取回如接收机的速度和接收机时钟的漂移的信息。可以使用附加的伪距来提高确定的精度。

代替或除了GNSS接收机，根据本发明的接收机520包括光电检测器521，用于接收光学频率VLC定位信号。转换单元522负责将接收到的信号(其是所有VLC定位信号的总和)转换为数字信号。转换单元由Rx时钟523驱动。数字信号由信号处理单元524处理，也由Rx时钟523驱动，并确定在接收机和处理的每个VLC发射机之间的伪距。为了识别各种定位信号，信号处理单元将接收到的信号与使用不同伪随机码生成的本地副本相关。根据导航消息中包括的同步值和数据，导航处理单元525可以计算伪距和多普勒频移值，以取回PVT(位置、速度和时间)信息526。

在GNSS中，在卫星和可以嵌入车辆中的接收机之间的相对移动很高。对于室内定位，由于接收机的速度有限，并且由于发射机的速度为零，所以测量出的多普勒频移可能非常低并且难于估计。因此，基于该标准估计速度有时可能是困难的。该问题的替代解决方案是根据连续定位测量值导出速度或使用惯性测量单元(与VLC导航解决方案混合或不混合)。

如在GNSS接收机中，确定位置和时间所需的伪距的最小数量是四。但是，当定位是室内定位时，z的值可能不是必需的。该值可以是例如通过以下已知：评估哪些VLC发射机在视野中，并从该信息或从其他信息(如由气压高度计给出的信息)中推断出当前楼层。因此，在该用例中，所需的伪距的最小数量为三。

此外，当已经获取位置和时间并且接收机仅与两个定位信号在时间上关联时，可以传播其本地时钟(例如，使用最后已知的本地时钟偏差值)，以便根据这两个定位信号取回位置。

因此，当接收机已经被同步时，可以有利地需要最少两个定位信号来确定接收机的定位。当接收机包括VLC和GNSS接收模块二者时，可以根据VLC和GNSS伪距的组合来计算用于计算时间和位置的伪距。

根据本发明的VLC接收机与标准GNSS接收机的仅有不同之处在于天线+RF前端由光电检测器+转换单元替换或补充。光电检测器和转换单元比天线和前端更容易集成，因为它们不包括对EMC、温度等具有相关联灵敏度的RF电路(滤波器、混频器等)。光电检测器可以例如仅被集成在智能手机屏幕下方。

现有的解决方案，例如放置在光电检测器上的滤波器，可以帮助处理干扰，所述干扰是例如由于太阳或非常强烈的照明引起的镜头眩光。

可以在根据本发明的VLC接收机中以与在标准GNSS接收机中类似的方式处理接收到的信号。确定位置的过程包括两个阶段：

-获取阶段，其中接收机通过尝试不同的伪随机序列来确定哪些是接收到的信号，并取回它们的参数(例如，码相位、多普勒频移)，以及

-信号跟踪阶段，其中接收机跟踪并改善接收到的信号的同步，以便提供准确的测量，并且还对导航消息进行解码。

然而，与GNSS接收机相反，可以非常快速地实现获取阶段，因为可以在减少的搜索空间上搜索同步值。实际上，影响接收到的信号的多普勒频移减小，因为多普勒频移的主要源是系统时钟和接收机时钟的漂移，这取决于所采用的技术，并且非常有限(通常是几个多普勒搜索频段)。发射机和接收机之间的距离相当小，发射机的输出功率可以容易地被设置为所实现的SNR良好的水平，至少远远好于接收到的GNSS信号SNR。另外，解码消息的比特率增加，其解码可以在非常短的时间段内执行。结果，在估计位置之前经过的时间非常短(在本发明的实施例中低于0.1s)。

就处理功率而言，VLC接收机的要求低于GNSS接收机的要求，因为不需要计算发射机的位置(开普勒方程)。要执行的操作限于：

-使用伪随机码或其传输频率区分不同的VLC定位信号，

-计算这些信号中的每一个的伪距，

-对导航消息进行解码，

-使用先前的结果计算PVT。

图6a和6b分别描述了(从现有技术中已知的)GNSS接收机和根据本发明的VLC接收机的定位信号跟踪回路。

跟踪回路在接收机的信号处理块514或524中实现。每个接收机包括跟踪回路，以在获取阶段之后保持定位信号的本地副本与接收到的信号同步。

每个跟踪回路的目标是使定位信号的本地副本与进来的信号同步。每个跟踪回路将数字信号和密钥作为输入，以生成伪随机码(通常是代码生成器多项式的种子)。

在图6a上表示用于跟踪GNSS定位信号的跟踪回路。跟踪回路包括载波跟踪回路610，其主要目的是补偿由于进来的信号的多普勒频移而引起的损伤。NCO载波生成器611生成对应于估计的多普勒频移的载波，该载波在相位中与进来的信号的同相信道相加(613)，并且在正交中与进来的信号的正交信道相加(614)。

跟踪回路还包括代码跟踪回路620，其目的是在接收到的信号扩展代码上同步。代码跟踪回路包括PRN代码生成器621，其基于本地时间生成PRN序列。生成的代码的早期(631)、即刻(632)和后期(633)位置与进来的信号相关。根据所述信号的相关值，构造代码回路鉴别器620，其用于驱动PRN代码生成器，如本领域技术人员已知的。即刻位置上的相关值也用于构造载波回路鉴别器612，其在馈送NCO载波生成器之前被滤波。

一旦跟踪回路被同步，就可以构建在接收信号的时间与发送信号的时间之间的时间差，以计算伪距。

关于根据本发明的VLC接收机中的跟踪回路，由转换单元522输出的信号是纯同相基带信号。因此，根据本发明的接收机中的跟踪回路不包括任何载波跟踪回路，并且是GNSS接收机跟踪回路的简化版本。跟踪回路限于所述代码生成器621和用于驱动代码生成器的代码回路鉴别器620。为了与先前的图和说明保持一致，描绘了一组早期/即刻/后期相关器。然而，本领域技术人员已知的是，在一些情况下可以使用更多数量的相关器。

如果需要额外补偿多普勒频移(例如，如在GNSS接收机中执行的某种代码回路跟踪辅助，也被称为“载波辅助DLL”)，则可以基于根据PVT运算导出的速度或使用嵌入在接收设备上的惯性测量单元来估计多普勒频移(使用来自经校正的惯性测量数据的VLC定位信号、速度和航向来估计加速度计和角速率传感器偏差和漂移)。

除了已经提到的与一些实施例相关的优点之外，本发明的优点是：

·本发明特别适用于室内定位，因为它不是基于非导航信号的机会性使用或基于室外导航信号的降级使用；

·本发明也可以在户外部署；

·本发明的一些实施例提供在VLC导航系统和GNSS导航系统之间的无缝转换；

·实现复杂性低：大多数硬件技术砖或软件算法都可以从现有的GNSS技术中重复使用：

o在发射机侧：VLC发射机可以被更换或添加到现有灯泡中，所需要的唯一必要部署是生成定位信号的设备，并且例如经由PLC被链接到VLC发射机。维护成本很低，仅限于在故障时更换灯泡，而无需额外处理；

o在接收机侧：由于传播约束低于GNSS导航系统(几乎没有多普勒，没有由于大气层交叉而导致的传播时间的变化)，所以可以关于GNSS算法简化在接收机侧上实现的算法。因此，由于可以重复使用用于接收GNSS信号的硬件砖和软件程序，所以可以以低成本快速地部署本发明；

·使用光学载波代替射频载波具有以下优势：

o接收机侧上较低的实现复杂性(无RF链)，

o无频谱调节：VLC传输不会干扰其他电子设备，甚至可以在如医院、飞机等受限制的地方使用；

o关于安全性，由于信号不通过墙壁，因此通信是本地的、安全的并且限制在单个房间内，从而提供隐私和安全以防止欺骗。使用专有和/或加密的伪随机序列可以进一步提高安全性；

o可能会出现多径干扰(反射光)，但延迟超过一个码片长度的反射自然会被抵消。由于码片速率可以增加(例如102.3M码片/秒而不是1.023M码片/秒)，所以大多数多径反射自然被拒绝。还可以实现从GNSS技术改编的多径拒绝技术；

o由GNSS导航系统使用的射频信号可以被埋藏在噪声中，而光学信号通常不会被埋藏在环境光中；

o可以调整伪随机码片速率的长度，以优先化传输的稳健性、定位的精度、获取阶段的速度或实现的复杂性；

·本发明提供导航消息的快速解码，因为与GPS导航消息的比特率相比，其比特率可以增加，

o导航消息可以专门被设计用于进一步加速接收机的首次安装，

o考虑到先前给出的参数值，取决于VLC定位信号和硬件接收机的特性，可以达到约0.1s的总时间来获取和跟踪可用信号、解码导航数据和计算第一解决方案；

·本发明提供精确定位，基于来自包括时间信息和高码片速率的定位信号的伪距测量，

o由于卫星位置的轨道确定中的近似以及电离层和对流层延迟而导致的GNSS定位的不确定性不适用，

o SNR优于射频接收机的情况，

o增加伪随机序列码片速率减少跟踪抖动；

o低于0.3m的位置误差似乎是现实的，但这种精度取决于房间中VLC发射机的定位，

·同时接收机的数量是无限的(单路系统)。

图7表示根据本发明的用于发送VLC定位信号的方法的流程图。

该方法要求多个VLC发射机，以及所有VLC发射机共用的时钟信息。有利地，时钟与GNSS系统时间有关。

该方法包括确定来自所述时钟的时间信息的第一步骤701。该时间信息可以是发送消息的时间，或者是与导航消息帧结构中的特定事件相对应的时间。例如，该时间信息可以是将在导航消息中发送后续TLM字段的时间。

该方法还包括计算包括所述时间信息的多个定位信号的第二步骤702。时间信息被插入在导航消息中(见图3b)，时间信息由伪随机码调制。

在本发明的一个实施例中，中央设备231负责计算定位消息。在这种情况下，中央设备计算包含时间信息的公共导航消息(并且最终是其他信息，如在中央设备和VLC发射机之间的传播时间，关于环境中的位置的导航信息(如建筑物中的楼层、VLC发射机的位置、建筑物的地图)和/或从GNSS定位系统或任何其他相关信息取回的导航信息)，并通过使用不同的伪随机码调制相同区域的VLC发射机的导航消息来计算多个不同的定位信号。

在本发明的另一实施例中，每个VLC发射机负责计算它发送的定位消息。根据时间信息(并且最终是其他信息，如在中央设备和VLC发射机之间的传播时间、关于环境中的位置的导航信息(如建筑物中的楼层、VLC发射机的位置，建筑物的地图)和/或从GNSS定位系统或任何其他相关信息取回的导航信息)，每个VLC发射机计算其自己的定位消息，使用与相同区域的VLC发射机的伪随机码不同的伪随机码来调制导航消息。

该方法还包括使用所述VLC发射机发送所述定位信号的第三步骤703。

图8表示根据本发明的用于针对VLC定位信号计算位置的方法的流程图。

该方法应用于包括VLC接收链(用于计算距离VLC发射机的位置)和GNSS接收链(用于计算距离GNSS发射机的位置)的接收机。

该方法包括在光电检测器上接收VLC信号以及在天线上接收GNSS信号的第一步骤801，接收到的VLC信号是多个VLC定位信号的总和，接收到的GNSS信号是多个GNSS定位信号的总和。

该方法还包括第二步骤802，用于根据所述时间信息为每个所述VLC定位信号计算与对应的VLC发射机的伪距，并且为每个所述GNSS定位信号计算与对应的GNSS发射机的伪距。

为此，接收机使用特定于每个VLC和GNSS发射机的伪随机码或传输频率来区分接收到的信号。跟踪回路允许在接收到的信号和信号的本地副本之间找到同步。根据在定位信号中发送的导航消息中包括的同步值和时间信息，可以计算相对于在VLC发射机和接收机之间的传播时间的伪距。

该操作以相同的方式在至少两个定位信号上执行以确定2D位置，在至少三个定位信号上执行以确定3D位置或2D位置和时间，在至少四个定位信号上执行以确定3D位置和时间。额外的伪距测量可以帮助提高估计的准确性。

因此，该方法包括第三步骤803，其根据计算出的伪距确定位置，无论它们是根据VLC定位信号，还是根据GNSS定位信号，还是根据其组合计算出的。

为此，必须知道VLC发射机的位置。该位置可以被存储在实现该方法的设备中，因此它们有利地立即可用。替代地，它们可以在导航消息中传输。

确定位置可以通过解析线性方程系统来找到满足VLC发射机的位置和计算出的伪距的PVT解决方案，或者使用本领域技术人员已知的任何其他方法。

本说明书中公开的示例仅说明本发明的一些实施例。对于本领域技术人员来说显而易见的是，了解该解决方案以将这种发明应用于一些其他领域。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims

1.一种使用可见光通信(VLC)的导航系统，所述导航系统包括被配置为根据GNSS定位信号计算GNSS参考时间的一个或多个GNSS接收机(420、451、452)，以及被配置为发送包括包含时间信息(332)的导航消息的VLC定位信号的一个或多个VLC发射机(201至207)，其中，所述时间信息是从所述GNSS参考时间导出的所述导航消息的特定部分的传输时间。

2.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，所述导航消息由伪随机序列(313)调制，所述伪随机序列对于同一区域内的每个VLC发射机是不同的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，还包括链接到所述VLC发射机和所述一个或多个GNSS接收机的中央设备(231)，所述中央设备被配置为计算所述定位信号并将所述定位信号发送到多个VLC发射机。

4.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，还包括链接到所述VLC发射机和所述一个或多个GNSS接收机的中央设备(231)，所述中央设备被配置为计算所述时间信息并将所述时间信息发送到所述VLC发射机。

5.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，每个VLC发射机都连接到GNSS接收机。

6.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，所述导航消息的比特率高于500比特/秒。

7.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，所述VLC发射机被配置为计算所述定位信号。

8.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，所述定位信号还包括关于所述时间信息的准确度的信息(333)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，所述定位信号还包括关于所述VLC发射机的位置的信息。

10.根据前述权利要求中任一项所述的导航系统，其中，所述GNSS接收机还被配置为从所述GNSS定位信号取回GNSS导航消息，所述VLC定位信号的导航消息还包括在GNSS导航消息中包括的数据(343)。

11.一种接收机(221)，其被配置为从VLC发射机(201至207)接收VLC定位信号，并从GNSS发射机接收GNSS定位信号，每个定位信号包括时间信息(332)，所述接收机被配置为使用所述时间信息根据所述VLC定位信号计算VLC伪距并根据所述GNSS定位信号计算GNSS伪距，并且根据所述VLC伪距和GNSS伪距中的一个或多个确定位置。

12.根据前述权利要求所述的接收机，还包括多个跟踪环路，每个所述跟踪环路被配置为根据在接收到的定位信号之一与所述定位信号的本地副本之间的相关性来计算接收时间，所述接收机被进一步配置为根据计算出的接收时间和所述时间信息计算伪距。

13.一种用于在导航系统中发送定位信号的方法，所述导航系统包括多个VLC发射机和一个或多个GNSS接收机，所述方法包括：

-确定(701)相对于要在根据从所述一个或多个GNSS接收机获取的参考时间导出的定位信号内发送的导航信号的特定部分的发送时间的时间信息，

-计算(702)包括所述时间信息的多个定位信号，以及

-使用所述VLC发射机发送(703)所述定位信号。

14.根据前述权利要求所述的方法，其中，计算(703)定位信号包括：计算包括所述时间信息的导航消息(312)，并利用伪随机序列(313)调制所述导航消息，所述伪随机序列对于同一区域内的每个VLC发射机是不同的。

15.一种用于根据由VLC发射机(201至207)发送的、包括时间信息的一个或多个定位信号以及由GNSS发射机发送的、包括时间信息的一个或多个定位信号来确定位置的方法，所述方法包括：

-从所述VLC发射机和所述GNSS发射机中的一个或多个接收(801)所述定位信号，

-对于接收到的信号中的每一个，根据所述时间信息计算(802)与相对应的VLC发射机和GNSS发射机的伪距，以及

-根据计算出的伪距确定(803)位置。